생명, 경계에 서다 - 양자생물학의 시대가 온다

“ 흔히 말하는 과학의 3대 불가사의는 우주의 기원, 생명의 기원, 의식의 기원이다. 양자역학은 우주의 기원과 밀접한 연관이 있으며, 앞에서 논의했듯이 의식의 기원과도 연관 가능성이 있다. 그리고 앞으로 알게 될 것처럼 생명의 기원을 설명하는 과정에서도 양자역학이 도움이 될지 모른다. 그러나 그 전에 먼저 비양자적 설명이 생명의 기원을 완벽하게 설명해줄 수 있는지를 확인해야 한다. ”

“ 그레이엄 케언스스미스는 원시 수프 속에 있는 것과 같은 단순한 유기화합물에서 RNA 염기가 합성되려면 약 140단계를 거쳐야 한다고 추정했다. (...) 어떤 시작 물질이 RNA로 전환될 확률은 주사위를 던질 때 6이 연달아서 140번 나올 확률과 같다. (...)전 생물세계 prebiotic world에서는 오로지 우연에만 의존해야 했을 것이다. (...) 우연에만 의존해서 얻을 확률은 쉽게 추정 가능하다. 바로 6의 140승(대략 10의 109승)분의 1이다. 순전히 무작위적인 과정을 통해서 우연히 RNA가 만들어지려면, 우리의 원시 수프에는 그만큼 많은 수의 시작 물질이 필요할 것이다. 그러나 10의 109승은 관측 가능한 우주 전체에 있는 기본 입자의 수(약 10의 80승)보다 훨씬 더 큰 수다. 간단히 말해서, 지구에는 이수아 암석에 의해 암시된 생명의 등장과 RNA의 형성 사이의 수백만 년의 시간 동안 의미 있는 양의 RNA를 만들 충분한 수의 분자도, 충분한 시간도 없었다. (...) 대부분의 리보자임은 최소 100개의 염기로 이루어진 RNA 가닥이다. (...) 염기 100개 길이의 RNA 가닥이 조합되는 방식은 모두 4의 100승(10의 60승)가지가 된다. 마구 뒤섞여 있는 RNA 염기들이 자기 복제를 하는 리보자임을 만드는 올바른 순서대로 배열될 가능성은 얼마나 될까? ”

“ 벵갈루르에 위치한 인도과학원 고에너지물리학 센터의 물리학자인 아푸르바 D. 파텔은 양자컴퓨터의 소프트웨어인 양자 알고리즘 분야에서 세계적으로 손꼽히는 전문가다. 파텔은 유전암호에는 양자암호에서 기원했음을 드러내는 특징이 있다고 제안했다. ”

“ 이런 유형의 분자 진동을 생명이 어떻게 활용하지에 관한 단서는 서로 다른 두 연구진이 독립적으로 2008년에서 2009년 사이에 발전했다. 한쪽은 마틴 플레니오와 수산나 후엘가 부부를 중심으로 한 영국 연구팀이다. 이들은 양자계의 동역학에서 외부 '잡음'의 효과에 대해 오래전부터 관심을 갖고 있었다. 그래서 4장에서 다뤘던 그레이엄 플레밍의 2007년 광합성 실험을 처음 접했을 때에도 당연하게 여겼다. 이들은 이 과정에서 일어날 것이라고 생각한 모형에 관해 몇 편의 논문을 빠르게 내놓았고, 이 논문들은 오늘날 널리 인용되고 있다. 이들의 제안에 따르면 소란스러운 생체 세포의 내부는 양자역학을 일으키고 광합성 복합체와 다른 생물학적 계에서 양자 결맞음을 파괴하기보다는 유지할 가능성이 있다. ”

“ MIT연구진은 세균 광합성 복합체에서 분자 잡음/진동의 영향을 추정하면서, 양자 수송의 최적 온도가 식물과 미생물이 광합성을 수행하는 온도와 비슷하다는 것을 발견했다. 이 연구진의 주장에 따르면, 이처럼 최적의 수송 효율이 유기체가 살아가는 온도와 완벽하게 일치한다는 것은 놀라운 일이며 30억 년에 걸친 자연선택이 생물권에서 가장 중요한 생화학 반응을 최적화하기 위해서 엑시톤의 전달이라는 양자 수준의 진화 기술을 세밀하게 조정해왔다는 것을 암시한다. 이들은 최근 논문에서 "자연선택은 양자 결맞음이 최고의 효율을 얻기에 '딱 맞는' 정도까지 양자계를 몰아가는 경향이 있다"고 주장했다. ”

“ 마틴 플레니오의 연구진은 2012년과 2013년에 독일 울름 대학에서 발표한 두 편의 최신 논문을 통해서 만약 엑시톤의 결맞음이 백색 진동에 의해 어긋날 때에는 단백질의 진동에 의해 다시 제 박자를 찾을 수 있다는 것을 증명했다. 실제로 2014년 <네이처>의 한 논문에서 유니버시티 칼리지 런던의 알렉산드라 올라야카스트로가 아름다운 이론 연구를 통해서 증명한 바에 따르면 엑시톤의 진동과 유색 잡음인 분자의 진동은 단일한 에너지의 양자를 공유하는데 그 방식은 양자역학의 도움 없이는 아예 설명이 불가능하다. ”

“ 생명은 거센 폭풍이 부는 바다 위를 항해하는 배와 비슷하다. 이 배에는 거의 40억 년의 진화로 다듬어진 유전 프로그램이라는 노련한 선장이 타고 있어서 다양한 깊이의 약자 영역과 고전 영역을 항해할 수 있다. 생명은 폭풍우를 피하기보다는 끌어안는다. 분자의 돌풍과 강풍을 모아서 돛을 부풀리는 것이다. 그렇게 생명이라는 배를 똑바로 세워서, 좁은 용골이 열역학의 바닷물을 지나서 양자세계와 닿게 한다. 생명의 깊은 뿌리는 양자세계의 경계를 배회하는 기이한 현상들을 다룰 수 있게 해 준다. ”